上海交通大学天文系2021年度本科生奖学金颁奖礼于10月14日中午十二点在天文系506会议室举行。本次颁奖礼由天文系主管本科生教学的祖颖副教授主持，物理与天文学院院长景益鹏院士、天文系系主任杨小虎教授以及本科生班主任李兆聿副教授出席了颁奖仪式。
颁奖仪式在景益鹏院士的致辞中拉开帷幕。景院士教导同学们在大学阶段要以认真严谨的态度学好每一门课程，扎扎实实打好基础。仪式上景院士宣布了院长奖学金的获奖名单为傅易同学，并为其颁发了获奖证书。同时，景院士鼓励同学们再接再厉，再创佳绩！
杨小虎教授宣布了光启奖学金以及一等奖学金的获奖名单，其中:李佳兆获得光启奖学金；张亦柯、吕轶啸、高文豪和薛峤获得一等奖学金。杨小虎教授在致辞中对获得荣誉的同学表示祝贺，并对同学们寄予了深厚的期望，期望同学们不忘初心，刻苦钻研，也期望学术的发展更加繁荣。
近日，爱丁堡大学天文研究所博士后、上海交通大学物理与天文学院访问学者崔伟广博士及其合作者，包括交大杨小虎教授等，使用最前沿的SIMBA流体数值模拟首次精准再现了观测中的星系颜色红蓝双峰分布结构，并对这种分布的起源给出了物理解释。论文于2021年7月5日发表于国际学术期刊《自然天文》杂志上，题为《在恒星-暗晕质量关系弥散中的星系颜色双峰分布起源》（The origin of galaxy colour bimodality in the scatter of the stellar-to-halo mass relation）。
天文学家在过去近100年里就已知星系可以分为两类：一种是恒星形成活跃的蓝色漩涡星系；另外一种是缺少恒星形成的红色椭圆星系。从哈伯第一次观测到这种分布，它就成为了困扰天文学家一个主要谜团。直到今天，星系为什么呈现这种双峰分布仍是星系形成研究的一个主题。
红星系主要由年老的恒星构成（故呈现红色），被认为形成于暗物质密集的区域——大质量的暗物质晕中；蓝星系，因为平均恒星年龄非常年轻而呈现蓝色，通常处于小质量的暗物质晕中。然而最近的观测表明，在相同质量的暗物质晕中，这两种星系是同时存在的，但是蓝星系比红星系的质量要大一些。这个发现会不会给我们理解星系的颜色双峰结构提供一个更为基本的物理解释？最近，崔伟广博士和其合作者使用最为前沿的SIMBA流体数值模拟第一次再现了观测中的这种颜色双峰分布（图1)。该成果及其物理解释发表在了最近一期的自然天文杂志上。
图1, SIMBA模拟星系和观测星系的比较
通过对每一个星系形成的历史追踪，流体数值模拟可以给出星系在其形成过程每个时间段的演化历程，而这在观测上是不可能实现的，崔博士和他的合作者展示了这种双峰结构形成的本质原因是星系所在暗物质晕的形成历史不同——也称为暗物质晕质量增长偏差（图2）：在相同的质量上，早形成的暗物质晕通常形成蓝星系，而晚形成的暗物质晕通常拥有红星系。另外这个研究小组也发现，星系中心的黑洞反馈释放的能量对于决定星系的颜色也有着至关重要的作用。
图2, SIMBA模拟星系的分布，分别使用暗物质晕的形成时间（a)；星系形态转化时间的（b)来刻画。
文章的合作者之一、SIMBA项目的负责人，罗密欧戴夫教授说：“我们的模拟第一次展示了观测上的颜色双峰结构可以跟超大质量黑洞的能量释放关联起来。SIMBA模拟联结了大尺度上的结构形成和极小尺度上的黑洞物理过程，对于我们理解星系形成，尤其是星系颜色双峰结构形成的物理过程，迈出了至关重要的一步。
文章的另一合作者皮考克教授说：“这个研究中尤其令人激动的是我们通过对星系中心大质量黑洞能量释放的控制，将星系的颜色再现出来。” 戴夫教授补充说道：“越来越趋近真实的模拟让我们自信可以对数以百万或者更多星系的不同性质和形态，和它们从宇宙之初到现在的形成过程，给出本质上的解释。”
文章链接： https://www.nature.com/articles/s41550-021-01404-1
近日，上海交通大学物理与天文学院的韩家信特别研究员与团队成员李昭洲博士后，首次获得了人类认知的银河系最外缘边界的测量。论文于 2021 年 7 月 1日发表于国际学术期刊《天体物理快报》（The Astrophysical Journal Letters），题为《星系运动学揭示的银河系最外边界》(The outermost edges of the Milky Way halo from galaxy kinematics) 。
像多数星系一样，银河系周围包裹着一团被称作暗晕的巨大暗物质团块，该团块的性质同银河系的性质密切相关。相比于宇宙中的遥远星系，人类对我们所处的银河系有着更细致而完备的观测，因此银河系是当前研究星系形成、暗物质属性乃至宇宙学的一个重要实验室，而对银河系周围暗晕的刻画则是这些研究的一个共同课题。
在过去的研究中，天文学家们常用基于平衡态假设的位力半径来刻画暗晕的大小。然而在真实宇宙中，暗晕并非同周围的环境割裂开来，而是通过引力持续吸积周围的物质而不断增长。于是在暗晕的平衡区域以外，便环绕着供给暗物质晕增长的蛮荒区域，它们也是成长中的银河系的征伐疆域，存在着物质内流、回溅、增长、耗竭等动态演化过程。针对这一区域，韩家信团队在不久前刊于《英国皇家天文学会月刊》(MNRAS) 的论文(Fong & Han 2021)中提出了一种新的暗晕边界描述，称为耗竭半径(depletion radius)，见前文介绍。暗晕自身的增长对应着周围物质的耗竭，而耗竭半径则精确划分了这一过程中增长的暗晕同耗竭的环境之间的分界。该半径位于暗晕周围物质内流速度最大的位置，具有明确的物理意义和诸多优美特性。
图1 银河系一千万光年内近邻星系的运动。图中绿色区域为利用高斯过程回归测得的星系平均径向运动速度。根据该曲线的特征可以将银河系周围划分出平衡（virialized）、增长（growing）、耗竭（depleting）、退行（receding）四个区域。耗竭和退行区域的内边界分别为银河系的耗竭半径和回转半径。
在课题组的ApJL新论文中，作者通过统计位于银河系一千万光年 (3Mpc) 以内星系们的运动，首次测量了银河系耗竭边界的位置（约为 560 kpc），并估计了该边界内的总质量。作为副产品，该工作也同时首次测定了银河系内的经典回转半径(turnaround radius)，即银河系克服宇宙膨胀而将物质吸引住的最远半径。同耗竭半径一起，这两个半径揭示了银河系在当前成长中的最遥远和最蛮荒的边界。这些结果直接刻画了银河系当前的动力学状态，并暗示了银河系的独特成长历史，有望帮助我们更好地从结构形成的框架中来理解银河系和其周围的暗物质环境。
图2 银河系及其近邻的质量分布。图中五角星为该工作最新测量的银河系耗竭边界和回转边界。最新的流体力学数值模拟倾向于预言偏小一些的耗竭质量（图中LG-like所示），可能预示着银河系的独特成长历史。
论文第一作者是课题组博士后李昭洲，共同通讯作者是韩家信特别研究员。该工作也是韩家信研究团队近期关于暗晕边界的系列工作之一。研究团队得到了国家自然科学基金和科技部重点专项等研究经费的支持。
论文链接：
国际合作的暗能量光谱仪巡天项目（Dark Energy Spectroscopic Instrument; 简称DESI）的主要目标是精确观测宇宙中星系大尺度结构分布的三维结构，从而揭示宇宙加速膨胀和暗能量的奥秘。DESI 是一个包含来自13个国家近80个研究单位的500多名研究者的国际合作项目（管理单位是美国伯克利国家实验室），而上海交通大学天文系则是中国唯一一个正式加入DESI项目的完全成员单位，交大天文系的学生（包括本科生和研究生）和博士后研究者已经在DESI科学预研究中做出了重要贡献。比如，上海交大天文系的杨小虎教授利用DESI的测光选源数据，构建了当前最大最完备的星系群样本，此样本将会在DESI光谱巡天中得到进一步观测。
北京时间2021年5月17日晚9点，DESI项目在美国亚利桑那的基特峰国家天文台正式开始观测。在这之后的五年中，DESI将观测到来自于约三千万远方星系的古老光子，并利用这些光子组成的光谱能量分布来测量宇宙的加速膨胀速度、宇宙中大尺度结构的增长和形成历史、以及星系本身的形成和演化历史。作为目前世界上最大的光谱巡天项目，DESI观测到的星系光谱数目将会是之前所有巡天观测到的光谱数之和的十倍，让我们能够一直观测到宇宙110亿年之前的古老星系分布。正因如此，DESI也是下一代暗能量巡天中最富有野心的项目，其科学目标是回答现在困扰整个人类文明的关乎宇宙命运的终极问题：暗能量的本质是什么？宇宙大尺度上，爱因斯坦的广义相对论是否仍然成立，或是需要修改才能解释宇宙结构的增长与加速膨胀？
仙女座大星云的星系盘角直径约为3度。这么大的一块天区可以被DESI单次观测时完全覆盖（图中浅绿色的网格状圆盘）。这里每一个小圆形网格代表了一个机械光纤定位器可以探测的区域，DESI光谱仪总共有5000个这样的光纤。图上的光谱来源于一根光纤观测到的仙女座大星云背后的遥远的类星体，这些古老的光子来自110亿年之前的宇宙。(Credit: DESI collaboration and DESI Legacy Imaging Surveys)
为了保证DESI在今天能够按时正式启动，整个DESI合作团队此前已经开展了大约四个月的紧锣密鼓的试运行，并在这个阶段不断调试和优化光谱仪，以期达到最佳的光谱巡天状态。DESI的强大之处在于，即便仅仅是在这四个月的试运行中，DESI已经成功观测到了四百万根星系光谱，这个数字已经比之前任何光谱巡天获得的数据要多。在试运行期间，祖颖副教授及其团队博士后Jesse Golden-Marx已开始利用DESI设备对星系团的成员星系进行光谱跟踪观测，从而为DESI的星系团宇宙学研究构建一个中低红移的光谱星系团黄金样本。
DESI的巡天效率如此之高，主要原因是她采用了大视场多光纤光谱采集技术。DESI光谱仪安装于基特峰天文台上的4米马约尔望远镜上，在单次曝光中可以利用机器臂同时操作5000根光纤进行光谱观测，从而得到5000根光谱。正因如此，即便马约尔望远镜并非世界上最大的望远镜，DESI的光谱观测效率仍然是全世界最高的 --- 一个名副其实的“光谱工厂”。
DESI焦平面的一小块区域。您能够清晰地看到DESI的机械光纤定位器，上面泛着蓝光的部分就是光纤探测器。(Credit: DESI collaboration)
在未来的五年中，上海交通大学天文系将继续全面投入DESI巡天数据的分析和研究中，包括基于DESI星系样本的高精度宇宙学数值模拟，暗能量与修改引力，星系内气体的化学丰度演化，宇宙暗物质密度场的重构，星系团宇宙学，星系的红移空间畸变，发射线星系与暗物质晕之间关系等前沿科学。
上海交通大学天文系韩家信特别研究员团队近期在英国皇家天文学会月刊（MNRAS）上发表了一篇论文【1】，提出了一种新的暗晕边界描述，具有明确的物理意义和优美的性质，有望打开暗晕研究的新窗口。论文由Matthew Fong担任第一作者，韩家信担任通讯作者。下文由韩家信撰写，试图通俗的介绍这一成果。
什么是暗物质晕？
在当前对宇宙的主流认知中，暗物质是我们宇宙中物质的主要成分。我们明确知道的暗物质相互作用只有引力，所以暗物质看不见也无法触摸，但却通过其引力决定着宇宙的结构。我们也可以通过计算机模拟来精确计算出引力作用下暗物质分布的演化。在引力作用下，这些暗物质之间相互吸引并聚集成团，形成了包裹着宇宙中星系和星系团的大大小小的暗物质云团，即所谓的暗物质晕。暗物质晕作为宇宙中暗物质相对聚集的场所，其引力场也提供了宇宙中星系的孵化场。可以说暗物质晕是宇宙大尺度结构的基本单元，对其基本特征的刻画是深入研究宇宙和星系的前提。
这些暗物质晕中的粒子在持续高速并且杂乱运动着，从而支撑起暗物质晕不至于塌缩到引力中心，维持着其弥散的云团状结构。暗晕中集聚的引力场也持续吸引着周围的暗物质，维持着暗晕的增长。这些特征导致了暗晕云团同周围环境中的暗物质并没有清晰的边界，那我们怎样刻画暗物质晕的大小呢？
图1. 千禧年模拟【2】中的一个笼罩星系团的暗物质晕。图中越亮的区域暗物质密度越高。
暗晕的经典半径
在过去的研究中，最常用的对暗晕大小的描述是所谓的位力半径。前面提到暗物质晕中的粒子在高速运动着以抗衡暗晕中的引力而不至于塌缩，而稳定在这种状态的系统被称为达到了位力平衡。通过一系列的理论计算，我们预期在膨胀宇宙中达到位力平衡的系统将具有某一特定的密度。据此，我们便可以在暗物质晕中寻找平均密度满足这一特征的边界，即所谓的位力半径(virial radius)。当前对暗物质晕的绝大部分研究都是依赖其位力半径进行的。
暗晕如何捕获物质
而在真实的宇宙中，暗晕并非处于一个静态的平衡--周围的物质仍然受到暗晕的吸引并持续流入，使得暗晕的位力半径具有很大的局限性。针对这一局限性，我们需要在动态增长的视角下研究暗晕边界的刻画。在引力的加速下，掉入暗晕中的粒子速度越来越快。当粒子穿越暗晕最内区转而开始远离暗晕时，引力反过来使运动速度减缓。在静态的暗晕中，由于能量守恒，掉落进暗晕的物质在穿过暗晕内部以后可以逃回初始的半径处，从而避免被暗晕捕获。但如果我们考虑到暗晕一直在积聚周围的物质，导致其引力场也在随时间越变越强。在这种情况下，掉落进暗晕内的物质会在逃逸的过程中会感受到比掉落进来时更强的引力场，从而无力逃回其最初的距离，而只能逃到暗晕周围某一有限的半径。这一最大折返半径可以称之为暗晕的回溅半径(splashback radius)，它描述了被暗晕吞噬的物质所能挣扎的范围，比位力半径的范围更大。
根据这一过程，我们虽然可以理论【3】上认知回溅半径的存在，但实际上对被暗晕吞噬的物质来说，不同粒子往往存在不同的回溅半径【4】。这导致回溅半径的实际证认并不容易也并不唯一。近年来针对回溅半径的研究往往借助于回溅半径处的密度骤降【5】来获得一个典型的测量。
看见暗晕的边界
跳出暗晕边界理论预期的模糊性，我们能否从暗晕周围的物质分布本身直接寻找暗晕的边界特征呢？实际上，这是完全可行的。按照这一思路，在Fong&Han最新发表于MNRAS的论文【1】中，提出了一种新的边界描述，称为耗竭边界(depletion radius)，也可以形象的理解为暗晕的进食边界。
暗晕的护城河
这一边界的最初灵感来自于对暗晕周围物质分布的相对刻画。前面提到，暗晕同其周围的环境乃至背景宇宙是模糊衔接在一起的，直接从密度分布上看并没有清晰的边界。所幸的是，暗晕作为暗物质聚集的特殊场所，其周围的物质聚集程度相对于宇宙中“平均”聚集程度还是有区别的。什么是宇宙中的“平均”聚集程度呢？我们可以在宇宙中随机选取一些暗物质粒子，计算这些粒子周围平均有多少“邻居”，便可以得到宇宙中的物质在不同的距离上有多么喜欢相互“扎堆”，宇宙学家称之为粒子的相关函数或者成团性。对暗物质晕来说，我们也可以计算出暗晕周围的物质成团性，它们同宇宙的平均成团性有所区别。比较这两种成团性，便可以提取出暗晕相对宇宙中一个平凡粒子的特殊之处。这一成团性的比值可称之为暗晕的偏袒轮廓（bias profile)【6】，它刻画了暗晕的影响力随距离的变化。图2中展示了不同特征的暗晕的一些偏袒轮廓，它们有一个明显的共同特征，即存在一个清晰的沟壑，也就是偏袒的极小值，表征的是暗晕自身影响力的极小点。这一极小点提供了暗晕影响力边界的一个天然刻画，其所在的沟壑仿佛围绕暗晕而挖的一条护城河，清晰地划分了暗晕内部的疆土和外部的环境。在Fong&Han的论文中，这一边界被称为特征耗竭半径(characteristic depletion radius)。
图2. 各种类型的暗晕的影响力随半径的变化。它们都存在一个明显的极小值区域，可以提供暗晕边界的一种自然刻画。
护城河的形成
为什么称为耗竭半径呢？从数据的分析中，我们发现越年轻的暗晕，其护城河越浅；越年老的暗晕，其护城河越深。这实际上反映了暗晕吞噬周围物质的过程。暗晕的增长是暗晕内部物质增加的过程，同时也是周围环境物质减少的过程。随着这一过程的进行，自然会在暗晕周围形成一条物质聚集相对最弱的耗竭边界。
如何更明确的展示这一吞噬过程呢？我们可以研究暗晕周围的物质运动。当我们检查这些暗晕周围物质掉落进暗晕的内流速度时，我们发现在这一特征耗竭半径附近，物质的内流速度也是最大的！
最大内流速度所在的半径对于暗晕的增长具有特殊的意义。该半径以内，物质掉落的速度越向内越慢，导致该半径以内的物质逐渐沉积，从而支撑起暗晕的增长；在该半径以外，物质加速流向暗晕，越向内走掉落速度越快，导致该半径以外的物质逐渐被掏空。所以这一最大内流速度边界实际上是增长的暗晕同被耗尽的环境之间的分界，如图3所示。严格来说这一最大内流速度半径比上文中的特征耗竭半径要略小一点，我们称之为内耗竭半径(inner depletion radius)。可以说内耗竭半径定义了暗晕护城河的内半径，而特征耗竭半径定义了护城河的中央。暗晕的增长就是不断将内耗竭半径以外的物质吞入该半径以内的过程，而护城河就是暗晕的吞噬不断掏空周围物质的结果。
图3. 暗晕周围密度分布的演化方式的示意图（从实线向虚线演化）。横轴为到暗晕中心的距离，纵轴为该距离处的物质密度。在内耗竭半径以内，密度随时间增长；该半径以外，密度随时间下降，即暗晕周围物质逐渐被耗尽。
护城河所构建的牢笼
简单的考虑下，物质向引力源掉落的过程应当是越来越快的，所以内流速度应该是一直向内增加的。为什么暗晕周围会存在最大内流速度呢？这还要归因于暗晕的动态增长。图4展示了数值模拟中一个星系团大小的暗晕及其周围不同距离处的粒子速度分布，正速度表示物质向外流，负速度表示向内流，而深黑色的线条表示了各个半径处物质的平均流动速度。在最远端，物质是随着宇宙膨胀而远离暗晕的。靠近暗晕到一定范围以内，物质开始向内流，并且内流越来越快，直到红色线条标示的最大内流速度处。这一段加速内流的区间便对应着环境被消耗的区间。从这里继续向内，实际上初次掉落的物质其内流速度仍然是在增大的，只是在这一耗竭半径以内，物质已经并非纯内流了，而是出现了速度为正的外流物质。不难理解，外流物质出现以后，物质的净内流便开始受到补偿，从而平均内流速度下降。而这些外流的物质实际上就是上文所说的处于回溅过程中的物质。从图中很容易理解，耗竭半径刚好标记了所有外流物质所触及的最大半径，或者说耗竭半径提供了一个掉落进暗晕的粒子族群的最大回溅半径的天然定义。鉴于此，掉落进暗晕并被暗晕捕获的粒子的分布范围也刚好都局限在耗竭半径以内。暗晕挖掘出的护城河，构成了暗晕内粒子的天然囚笼。
图4. 暗晕周围粒子的径向速度（纵轴）和径向位置（横轴）分布。在耗竭半径（红色竖线标记）以内存在着外流的回溅粒子，导致耗竭半径处净内流速度最大。蓝色竖线标记了该暗晕的经典位力半径。
暗晕的堆砌半径
耗竭半径作为对暗晕边界的一个自然定义，其作用还体现在将暗晕作为基本单元描述宇宙结构中，即所谓的大尺度结构的暗晕模型中。在这一模型中，宇宙的物质分布可以分解成无数大大小小的暗晕的堆砌, 在堆砌的过程中，暗晕间不能相互重叠，即暗晕在其堆砌半径内是互斥的。
图5. 暗晕的堆砌模型示意图。该模型试图将宇宙的物质分布分解成大大小小暗晕堆叠的结果。
对这一问题来说，一个有价值的暗晕边界应该可以恰当的描述堆砌过程中暗晕的间隔，而这些暗晕叠加出来的物质分布也应当尽可能好的还原宇宙中的真是物质分布。在Fong&Han的论文中发现，暗晕的内耗竭半径刚好可以完美匹配堆砌暗晕所需的最佳半径。实际上，暗晕的堆叠也可以解释暗晕的护城河的深度。在大暗晕周围，很容易聚集很多小暗晕，将护城河填满而难以看见；而在小暗晕周围，则更难放入较大的暗晕，从而在堆砌半径处产生更深更明显的护城河。
参考文献：
